Holz als Speicher von Solarenergie – was ist da dran?

In meiner kleinen Artikelserie rund um die Pelletheizung, die hierzulande häufig mit Solarthermie-Anlagen kombiniert wird, geht es mir heute ums Eingemachte: Warum nennt man alle brennbaren Stoffe Wärmespeicher? Wie kommt’s, dass man von Holz als Solarenergiespeicher spricht? Wie speichern Pflanzen Solarenergie? Und wie kann man die Energie aus den Pflanzen nutzen? Fragen, die hier beantwortet werden sollen.

Was ist Sonnenenergie?

Die Sonne liefert uns Energie in Form von Licht und Wärme. Sie ist der Erde ein natürlicher und ihr wichtigster Energielieferant.

Sonnenenergie – ein bunter Strahlenmix

Quelle der Sonnenenergie ist eine sogenannte Kernfusion: das Verschmelzen von Wasserstoff zu Heliumkernen. Pro Sekunde verschmelzen 567 Tonnen Wasserstoff zu 562,8 Millionen Tonnen Helium. Die Sonnenstrahlung setzt sich wie folgt zusammen:

langwellige Strahlung: 6 Prozent
infrarote Strahlung: 38 Prozent
sichtbares Licht: 48 Prozent
ultraviolette Strahlung: 7 Prozent
kurzwellige Strahlung: 1 Prozent

Pro Quadratmeter beträgt die Sonnenstrahlung an der Grenze der Erdatmosphäre 1,367 Kilowatt. Man nennt diesen Strahlungswert auch Solarkonstante. Diese Energie wird von festen, flüssigen und gasförmigen Schwebeteilchen & Co. in der Atmosphäre teilweise gestreut und reflektiert, so dass sie nicht zu 100 Prozent auf der Erdoberfläche auftrifft. Aber: Im Schnitt treffen pro 24-Stunden-Tag weltweit noch immer 164 Watt pro Quadratmeter auf der Erdoberfläche auf, wobei es von Ort zu Ort erhebliche Schwankungen gibt, da die Strahlungsintensität von der Lage des Ortes auf der Weltkugel (Breitengrad, Höhenlage) und den dort herrschenden Bedingungen (Witterung) abhängt.Man könnte sagen, letzten Endes ist fast alle Energie auf unserem Planeten umgewandelte Sonnenenergie. Denn auch all die fossilen Energiequellen liefern Rohstoffe, die aus gespeicherter Energie der Sonne bestehen. Schließlich waren Erdöl und Erdgas auch mal Pflanzen, die mit sonnigem Beistand wuchsen.

Sonnenenergie: Angebot und Nachfrage 

Die eben genannten Strahlungswerte, also das Angebot der Sonne, sind für sich stehend ohne große Aussagekraft. Die bekommen sie jedoch, wenn man sie ins Verhältnis zu dem Energieverbrauch setzt, der Nachfrage also, den die Erde hat. Und da wird ganz schnell klar: Die Sonne liefert mehr als die Erde verbraucht. Viel mehr. Bei Wikipedia liest man: Die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Energiemenge ist mehr als fünftausend Mal größer als der Weltenergiebedarf. Und das Portal Planet Wissen zieht folgenden Vergleich: Nach Schätzungen liefert die Sonne umgerechnet täglich den weltweiten Energiebedarf von acht Jahren.

Die freie Enzyklopädie beziffert diesen Weltenergiebedarf, also die Primärenergie, auf jährlich 505 Exajoule, wobei ein Exajoule 10 hoch 18 Joule entspricht oder 140 Petawattstunden mit einer Petawattstunde gleich 10 hoch 15 Wattstunden. 17 Prozent der von der Erde benötigten Energie werde demnach als elektrische Energie benötigt. Der deutsche Bedarf an Energie habe in 2010 14 Exajoule betragen, schreibt die Wiki weiter.

Spannend sind an dieser Stelle natürlich noch kurz die Blicke zurück sowie nach vorn: Bis zum Beginn der industriellen Revolution sei der Weltenergiebedarf laut Berechnungen von Marshall Sahlins, einem US-amerikanischen Anthropologen, fast konstant gewesen.  Das ist längst anders. Aktuell wächst der Bedarf der Welt an Energie stark. Man rechnet in den kommenden zwei Jahrzehnten  mit einer Zunahme um 37 Prozent bei einer Zunahme von 1,4 Prozent pro Jahr.

Dazu an dieser Stelle nur zwei Anmerkungen:

1. Mit dem steigenden Energiebedarf steigen auch die Emissionen an treibhausgasen wie CO₂.
2. Mehr als vier Fünftel (genau: 85 Prozent) des globalen Energiebedarfs, so steht es bei Wikipedia, werde mit fossilen Energieträgern gedeckt, Tendenz trotz weltweiter Energiesparmaßnahmen und Energiewendemanöver steigend. Das Problem: Von den fossilen Energieträgern stehen uns nur begrenzte Mengen zur Verfügung, von denen wir noch nicht mal alle nutzen können, weil sie mit heutigen menschenmöglichen Maßnahmen nur schwer beziehungsweise gar nicht zugänglich sind.

Um den Komplex Holz – Sonnenenergie –  CO₂-Neutralität kümmere ich mich in einem weiteren Teil dieser Serie noch ausführlich. Jetzt nehme ich mir erstmal das Holz vor und versuche herauszufinden, warum es als Sonnenenergiespeicher bezeichnet wird.

Holz als Speicher von Solarenergie

Holz ist ein nachwachsender Rohstoff, der Teil der Biomasse ist.

Biomasse ist nicht gleich Biomasse

Dieser Begriff wird unterschiedlich gebraucht: Nutzt man den Begriff in einem energietechnischen  Kontext, so zählt zu Biomasse als das tierischer oder pflanzlicher Art, was man zur Erzeugung von Heizenergie, elektrischer Energie und als Kraftstoffe verwendet kann. Der energietechnische Biomasse-Begriff ist demnach viel enger gefasst als der ökologische, da er sich ausschließlich auf tierische sowie pflanzliche und nicht auf mikrobielle Stoffe bezieht. Außerdem umfasst er von diesen tierischen und pflanzlichen Stoffen nur solche, die sich energietechnisch verwertet lassen.

Holz speichert Solarenergie als Kohlenhydrat

Mittels der Photosynthese wandeln Pflanzen Sonnenlicht indirekt in chemische Energie um. Das geschieht mit Hilfe von Kohlendioxid, indem der Sauerstoff vom CO₂ abgespalten wird. Anschließend bauen die Pflanzen die so entstandenen Kohlenstoffatome zu längeren Ketten zusammen: zu Kohlenhydraten wie Zucker und Stärke. Die enthalten viel Energie. Das heißt:

1. Die Pflanzen erzeugen Energie mithilfe der Sonne.
2. Die Pflanzen entziehen der Luft dafür Kohlendioxid.

Stellt sich die Frage, wie effizient die Pflanzen sind. Eine Antwort darauf habe ich hier gefunden: „Wenn man die Energie-Effizienz betrachtet – also den Wirkungsgrad – wenn also fragt: Wie viel Sonnenenergie geht in den Prozess rein und wie viel bekommt die Pflanze am Ende raus in Form von Biomasse? – stellt man fest: Dieser Wirkungsgrad liegt bei gerade mal 1 Prozent. Also 99 von 100 Joule gehen im Lauf des Prozesses verloren, nur 1 Prozent wird genutzt. Das ist sehr wenig.“

Doch selbst wenn das ein recht mickriger Wirkungsgrad sein mag, so stellt die Photosynthese einen Vorgang dar, der Seinesgleichen sucht und bislang von uns Menschen in all seiner Komplexität nicht nachempfunden werden konnte.

Energiegewinnung aus Holz

Verbrennt man Holz, sogenanntes Energieholz, das aus Verbindungen der chemischen Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Spurenelementen wie Kalzium, Natrium, Magnesium, Kalium, Eisen und  Silizium sowie Schwermetalle und Phosphorverbindungen besteht, die während des Wachstums aus dem Boden aufgenommen werden, wandelt sich die darin gespeicherte chemische Energie um: in Wärmeenergie und Lichtenergie. Das Verbrennen verbraucht Sauerstoff, zugleich werden Kohlendioxid und Wasser gebildet.

Heizwert von Holz

Wie viel Energie beim Verbrennen von Holz freigesetzt wird, darüber gibt der Heizwert des Holzes Auskunft. Entscheidend für seine Höhe ist der Wassergehalt: Steckt viel Wasser im Holz wie s typisch für frisches, feuchtes Holz ist, geht ein Großteil der Energie quasi in Dampf auf, bevor Wärmeenergie abgegeben wird. Üblicherweise misst man Brennholz in Raummeter oder Ster. Dafür werden ein Meter lange Scheite oder Stammteile auf einen Stapel geschichtet. Ein einen Meter hoher und einen Meter breiter Stapel entspricht dann einem Raummeter. Die Menge entspricht rund 0,7 Kubikmeter Holz – ohne Zwischenräume gerechnet. Bei 20 Prozent Holzfeuchte kann ein Raummeter Fichtenholz etwa 150 Liter, ein Raummeter Buchenholz, wegen seines höheren Gewichtes, etwa 200 Liter Heizöl ersetzen.

Foto: aremac / photocase